Physiopathologie des fractures de fragilité : Aspects biomécaniques

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1 Physiopathologie des fractures de fragilité : Aspects biomécaniques Mary L. Bouxsein Orthopaedic Biomechanics Laboratory Beth Israel Deaconess Medical Center Boston, MA USA

2 Plan Physiopathologie des fractures et déterminants de la solidité osseuse Changements liés à l'âge contribuant à la fragilité du squelette Interaction entre la mise en charge du squelette et la solidité osseuse Évaluation non invasive de la solidité osseuse

3 Conception d'une structure Analyse des charges à supporter Options de conception en vue d'obtenir la fonction désirée Géométrie globale Matériaux de construction Détails architecturaux

4 Facteurs de la résistance osseuse globale Géométrie Morphologie macroscopique (taille et forme) Microarchitecture Propriétés du matériau osseux / de la matrice osseuse Minéralisation Caractéristiques du collagène Micro-fractures

5 Hiérarchie de la structure osseuse Macrostructure Microstructure Propriétés de la matrice Composition et activité cellulaires Seeman & Delmas N Engl J Med 2006; 354:

6 Approche biomécanique des fractures Types de chute Réactions de protection Flexion, élongation Masse osseuse Géométrie Propriétés du matériau Charges appliquées àl'os Résistance osseuse FRACTURE? Facteur de risque Charge appliquée Résistance osseuse >1 fracture Hayes et al. Radiol Clin N Amer. 1991; 29:85-96 Bouxsein et al. J Bone Miner Res. 2006; 21:

7 Pathogénèse des fractures de fragilité Changements liés à l'âge contribuant aux fractures de fragilité : 1) Diminution de la résistance osseuse 2) Propension plus élevée à la chute

8 Évaluation des propriétés biomécaniques de l'os Propriétés structurelles Effort Propriétés du matériau Déplacement

9 Tests biomécaniques Propriétés fondamentales Charge de rupture Effort Rigidité Énergie absorbée Déplacement

10 Etude d un matériau adapté et de ses propriétés géométriques par rapport au mode de charge Matériau : Module d'élasticité E (densité) a Résistance maximale S (densité) b (densité) b compression Surface de la section, A r 2 Rigidité axiale, E A flexion Moment d'inertie, I r 4 Module de section, Z r 3 Rigidité en flexion, E I

11 Effet de la géométrie transversale sur la résistance des os longs DMO (par DXA) = = Résistance en compression = Résistance en flexion = Bouxsein, Osteoporos Int, 2001

12 Solidité osseuse TAILLE et FORME macro-architecture micro-architecture MATÉRIAU composition du tissu propriétés de la matrice REMODELAGE OSSEUX formation / résorption MÉDICAMENTS CONTRE L'OSTÉOPOROSE Bouxsein. Best Practice Res Clin Rheumatol, 2005; 19:

13 Plan Facteurs de la solidité osseuse Changements liés à l'âge contribuant à la fragilité du squelette

14 Changements des propriétés mécaniques du tissu osseux, liés à l'âge Os cortical % perte ans Os spongieux % perte ans Module d'élasticité, E Force ultime, S Résistance -8% -11% -34% -64% -68% -70% Bouxsein & Jepsen, Atlas of Osteoporosis, 2003

15 La résistance osseuse globale diminue considérablement avec l'âge Résistance globale os (Newtons) Col fémoral (chute latérale) jeune personne âgée Vertèbres lombaires (compression) jeune personne âgée Courtney et al. J Bone Joint Surg Am. 1995; 77: Mosekilde. Technology and Health Care 1998; 6:287-97

16 Modifications de la géométrie, liées à l'âge Adaptation en vue de conserver la résistance osseuse globale Seeman. Lancet 2002; 359: Seeman. N Engl J Med. 2003; 349:320-3

17 Variations de la vdmo du col fémoral, de la géométrie et des indices de solidité selon l âge % changement, ans Femmes Hommes F vs H ( valeur de p ) vdmo trabéculaire vdmo corticale - 56** - 24** - 45** -13** <0,001 <0,001 surface totale MOI ap Rigidité axiale Rigidité en flexion 13** -1-39** - 25** 7* -21** -31** -24** ns ns ns ns Pour des régressions d'âge : *P<0,05 **P<0, femmes, 320 hommes, âge compris entre 20 et 97 Riggs et al. J Bone Miner Res. 2004; 19: Riggs et al. J Bone Miner Res. 2006; 21(2):315-23

18 Modifications de la microarchitecture trabéculaire, liées à l'âge Diminution du volume osseux, de l'épaisseur des travées et de leur nombre Diminution de la connectivité Images reproduites avec l'aimable autorisation de David Dempster Diminution de la résistance mécanique

19 Changements microarchitecturaux qui influencent la résistance osseuse Force requise pour déformer une colonne : Directement proportionnelle à: matériau de la colonne géométrie de la section transversale Inversement proportionnelle à (Longueur de la colonne) 2

20 Effet théorique des travées sur la force de courbure # Travée Longueur Force horizontale effective de courbure 0 L S 1 1/2 L 4 x S Bouxsein. Best Practice Res Clin Rheumatol, 2005; 19:

21 (%) La porosité corticale augmente avec l'âge (41 biopsies iliaques, âge ans) r = 0,78 P < 0,001 augmentation x4 de la porosité corticale entre 20 et 80 ans 6 3 Hétérogénéité croissante avec l'âge Âge (ans) Brockstedt et al. Bone 1993; 14:681-91

22 Changements liés à l'âge de la corticale du col fémoral et association avec une fracture de la hanche Mayhew et al, Lancet ans 80 ans Ceux qui présentent des fractures de la hanche ont : une tendance à l'amincissement de la corticale antéro-inférieure une augmentation de la porosité corticale Bell et al. Osteoporos Int 1999; 10: Jordan et al. Bone, 2000; 6:305-13

23 Changements liés à l'âge des propriétés de l os associées au risque de fracture Masse osseuse et DMO en baisse Géométrie altérée Architecture altérée Amincissement cortical Porosité corticale Détérioration trabéculaire jeune personne âgée Images provenant de L. Mosekilde, Technology and Health Care. 1998

24 Plan Facteurs de la solidité osseuse Changements liés à l'âge contribuant à la fragilité fémorale Interaction entre la mise en charge du squelette et la solidité osseuse

25 Étiologie des fractures liées à l'âge Charges appliquées à l'os FRACTURE? Résistance osseuse

26 Le concept de facteur de risque Charge appliquée Φ = Résistance osseuse Φ > 1, fracture Φ < 1, pas de fracture Identifier les activités associées aux fractures Utiliser des modèles biomécaniques pour déterminer les charges appliquées à l'os pour ces activités Approximation de la charge de rupture de l'os pour ces activités Hayes et al. Radiol Clin N Amer. 1991; 29:85-96 Bouxsein et al. J Bone Miner Res. 2006; 21:

27 Chutes et fracture de la hanche Plus de 90 % des fractures de la hanche sont associées à une chute Moins de 2 % des chutes entraînent une fracture de la hanche La chute est une condition nécessaire mais non suffisante Les chutes latérales sont les plus dangereuses Quels sont les facteurs déterminant le risque de fracture?

28 Facteurs de risque indépendants pour la fracture de hanche Facteur Rapport de probabilité ajusté Chute de côté 5.7 (2.3-14) DMO fémorale 2.7 ( )* Énergie de chute 2.8 ( )** Indice de masse corporelle 2.2 ( )* * calculé pour une baisse de 1 SD ** calculé pour une augmentation de 1 SD Greenspan et al, JAMA, 1994; 271(2):128-33

29 Estimation des charges appliquées à la hanche durant une chute latérale Cadavres humains Volontaires humains Mannequin Modèles mathématiques et simulations Forces d'impact maximales appliquées au grand trochanter : kg ( N) (du 5 ème au 95 ème percentile des femmes) Robinovitch et al. 1991; Biomech Eng. 1991; 113: Robinovitch et al.1997; Ann Biomed Eng. 1997; 25: van den Kroonenberg et al J Biomechanic Engl.1995; 117: van den Kroonenberg et al J Biomech. 1996; 29:807-11

30 Le fémur est plus résistant dans des conditions normales de mise en charge Charge de rupture (kn) ± 700 N Position debout P < 0, ± 300 N Chute latérale Keyak et al. J Biomech. 1998; 31:125-33

31 Le fémur est plus résistant dans des conditions normales de mise en charge Charge de rupture (kn) ± 700 N Position debout Charge de la chute P < 0, ± 300 N Chute latérale Φ = Charge appliquée Charge de rupture Par conséquent: Φ > 1 pour une chute latérale chez les personnes âgées Keyak et al. J Biomech. 1998; 31: van den Kroonenberg et al. J Biomech. 1996; 29:807-11

32 Fractures vertébrales Difficiles à étudier Définition controversée Nombre de ces factures ne sont pas cliniquement diagnostiquées Apparition lente vs. brutale L'événement responsable de la fracture est souvent inconnu Mauvaise compréhension de la relation entre les charges exercées sur la colonne et la fragilité vertébrale

33 Schultz et al.1991; Spine. 1991; 16: Wilson et al.1994; Radiology ; 193: Bouxsein et al. J Bone Miner Res. 2006; 21: Estimation des charges exercées sur la colonne lombaire

34 Facteur de risque de fracture vertébrale (L2) Inclinaison vers l'avant de 90 o avec poids de 10 kg dans les mains Hommes Âge Femmes 11.9% 30.1% +28% au cours de la vie** ** P<0,005 pour les régressions d'âge p<0,01 pour une comparaison du changement lié à l'âge chez les H et les F Bouxsein et al. J Bone Miner Res. 2006; 21: % au cours de la vie** Âge

35 Proportion d'individus avec Φ > 1, par décennie (Inclinaison vers l'avant de 90 o en soulevant 10 kg) % % Incidence / années-personnes % % 42% 53% 4% 11% 12% 21% Âge Bouxsein et al. J Bone Miner Res. 2006; 21:

36 Plan Facteurs de la solidité osseuse Changements liés à l'âge contribuant à la fragilité fémorale Interaction entre la mise en charge du squelette et la solidité osseuse Évaluation non invasive de la solidité osseuse

37 Évaluation clinique de la solidité osseuse par DXA DMO surfacique par DXA Masse minérale osseuse / zone projetée (g/cm 2 ) Reflète (indirectement) Géométrie / Masse / Taille Minéralisation Corrélation modérée à forte avec la résistance osseuse globale au niveau du rachis, radius et fémur (r 2 = 50-90%) Prédicteur important du risque fracturaire Ne fait pas de distinction caractéristiques de géométrie 3D densité corticale et densité spongieuse architecture trabéculaire propriétés intrinsèques de la matrice osseuse Bouxsein et al, 1999

38 Estimation de la géométrie de la hanche par DXA 2D «Analyse de solidité de la hanche» Estimation de la géométrie fémorale et des indices de solidité Utilise des données d'images 2D pour dériver une géométrie 3D Nécessite des hypothèses qui n'ont pas été testées pour toutes les populations et tous les traitements Beck et al. 1999, 2001

39 Évaluation par tomodensitométrie quantitative (QCT) de la densité et de la géométrie osseuses Images reproduites avec l'aimable autorisation du Dr. Thomas Lang, UCSF

40 Scanner à multibarettes Pas de fracture 62 ans Fracture 62 ans Peut montrer l'architecture trabéculaire... Résolution plus élevée, mais irradiation plus importante Ito et al. J Bone Miner Res. 2005; 20:

41 Architecture trabéculaire in vivo par haute résolution pqct HR TDM quantitative dédiée aux sites périphériques (p) Xtreme CT, Scanco Voxel ~ 80 µm 3 Durée de balayage ~ 3 min < 4 µsv Uniquement radius distal et tibia Reproductibilité : densité : 0,7 1,5% * µ architecture: 1,5 4,4% * * Boutroy et al. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90:

42 Tibia Radius Préménopause Ostéopénie postménopausique Ostéoporose postménopausique Ostéoporose sévère postménopausique Boutroy et al. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90:

43 Diffférences entre femmes ostéopéniques avec et sans antécédent de fracture par HR-pQCT (âge = 69 ans, n=35 avec fracture prévalente, n=78 sans fracture) 30% 26%* % Différence 20% 10% 0% -10% Colonne DMO -0.3% Fém Col DMO BV/TV TbN 0.4% -12%* -9%* TbTh -5% 13%* TbSp TbSpSD p < 0,05 vs fractures sans contrôles Boutroy et al. J Clin Endocrinol Metab. 2005; 90:

44 Evaluation in vivo de l'architecture par IRM Caractéristiques de l'irm Non invasive Pas de rayons X Véritable 3D Plan de balayage oblique Scanners cliniques Temps d acquisition : ~ 150 x 150 x 300 µm 60 x 60 x 100 µm Image reproduite avec l'aimable autorisation du Dr. Felix Wehrli, UPenn Image reproduite avec l'aimable autorisation du Dr. Sharmila Majumdar, UCSF

45 Évaluation IRM de la structure trabéculaire Images de deux femmes présentant une DMO semblable

46 Analyse par éléments finis à partir de TDM quantitative L'AEF est une méthode d'ingénierie validée pour l'analyse de structures complexes Intègre des caractéristiques de géométrie et de densité à partir du TDM pour permettre la mesure de la résistance osseuse Image reproduite avec l'aimable autorisation de T. Keaveny Dans certains cas, chez le cadavre, meilleure appréciation de la résistance osseuse globale qu avec la DXA Des validations clinique ultérieures sont nécessaires Crawford et al, Bone 2003; 33: Faulkner et al, Radiology 1991; Keyak et al, J Biomechanics 1998; Pistoia, Bone 2002; van Rietbergen JBMR 2003; Crawford et al, Bone 2003

47 Conclusions La solidité osseuse globale est déterminée par la masse osseuse, la géométrie, la microarchitecture et les caractéristiques du matériau osseux Les fractures de la hanche résultent d'une augmentation de la charge traumatique en particulier, lors des chutes latérales associée à une détérioration de la résistance osseuse avec l'augmentation de l'âge Une évaluation biomécanique du risque fracturaire peut améliorer le diagnostic et la compréhension des effets du traitement De nouveaux outils sont en cours de développement pour une évaluation non invasive de la solidité osseuse